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JP7840656B2 - Laser chip for flip-chip bonding in silicon photonics chips - Google Patents
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JP7840656B2 - Laser chip for flip-chip bonding in silicon photonics chips - Google Patents

Laser chip for flip-chip bonding in silicon photonics chips

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Description

本発明は、光通信技法に関する。より具体的には、本発明は、強化された受動アライメントを有するシリコンフォトニクスチップにおけるフリップチップボンディングのためのレーザチップおよび方法を提供する。 This invention relates to optical communication techniques. More specifically, the invention provides a laser chip and method for flip-chip bonding in silicon photonics chips having enhanced passive alignment.

過去数十年間で、通信ネットワークの使用が普及した。インターネットの黎明期には、主要な用途は、電子メール、掲示板、および、概ね情報のためのテキストベースのウェブページサーフィンに限定され、転送されるデータ量は通常、比較的小さかった。現代、インターネットおよびモバイルアプリケーションは、写真、映像、音楽および他のマルチメディアファイルを転送するために大量の帯域幅を必要とする。例えば、Facebook(登録商標)などのソーシャルネットワークは、毎日500TBより多くのデータを処理する。データおよびデータ転送に対するそのような高い需要により、既存のデータ通信システムは、これらの必要性に対処するために改善される必要がある。 Over the past few decades, the use of communication networks has become widespread. In the early days of the internet, its primary uses were limited to email, message boards, and text-based web page surfing for information, and the amount of data transferred was usually relatively small. Today, internet and mobile applications require massive amounts of bandwidth to transfer photos, videos, music, and other multimedia files. For example, social networks like Facebook® process more than 500 TB of data daily. Such high demand for data and data transfer necessitates improvements to existing data communication systems to address these needs.

既存のシングルモードファイバに代わる、40Gbit/sおよび100Gbit/sデータレート広帯域DWDM(高密度波長分割多重方式)光伝送が、次世代の光ファイバ通信ネットワークの目標である。より最近では、マイクロエレクトロニクスチップと共存する大規模なフォトニック集積回路を製造するために、光学コンポーネントがシリコン基板に統合されている。フィルタ、(デ)マルチプレクサ、スプリッタ、変調器、および光検出器を含む全てのフォトニックコンポーネントが、主にシリコンフォトニクスプラットフォームで示される。シリコン・オン・インシュレータ基板上のシリコンフォトニクスプラットフォームは、1300nmおよび1550nmの標準WDM通信帯域に特に適している。これは、シリコン(n=3.48)およびその酸化物SiO(n=1.44)の両方が透明であり、高屈折率差を有し、中‐高集積シリコンフォトニクス集積回路(SPIC)に理想的に適している閉じ込め性能が高い導波路を形成するからである。 High-density wavelength division multiplexing (DWDM) optical transmission with data rates of 40 Gbit/s and 100 Gbit/s is the goal for next-generation optical fiber communication networks, replacing existing single-mode fibers. More recently, optical components have been integrated into silicon substrates to manufacture large-scale photonic integrated circuits that coexist with microelectronic chips. All photonic components, including filters, (de)multiplexers, splitters, modulators, and photodetectors, are primarily represented on silicon photonic platforms. Silicon photonic platforms on silicon-on-insulator substrates are particularly well-suited for the standard WDM communication bandwidths of 1300 nm and 1550 nm. This is because both silicon (n=3.48) and its oxide SiO2 (n=1.44) are transparent, have a high refractive index difference, and form waveguides with high confinement performance that are ideally suited for medium-to-high-integration silicon photonic integrated circuits (SPICs).

シリコンフォトニクスプラットフォームにおける半導体レーザは、多くの光電気通信アプリケーションのために実装されている。いくつかのアプリケーションにおいて、レーザチップは、スペクトル効率を向上させる広帯域高速光通信のために、フリップチップボンディングによってシリコンフォトニクスに適用される。しかしながら、垂直方向、長手方向、および横方向において優れた信頼性の高い受動アライメントを実現するためには技術的課題が存在する。したがって、改善された技術が望まれる。[発明の概要] Semiconductor lasers in silicon photonics platforms are implemented for numerous optoelectronic communication applications. In some applications, laser chips are applied to silicon photonics via flip-chip bonding for broadband, high-speed optical communication, improving spectral efficiency. However, technical challenges exist in achieving excellent and reliable passive alignment in the vertical, longitudinal, and transverse directions. Therefore, improved technology is desired. [Summary of Invention]

本発明は、光通信技法に関する。より具体的には、本発明は、強化された3D受動アライメントを有するシリコンフォトニクスチップにおけるフリップチップボンディングのためのレーザチップおよび方法を提供する。より具体的には、本発明は、シリコンフォトニクスチップにおけるレーザと導波路との間の3D受動アライメントにおいてサブミクロン精度を有するように構成されたレーザチップを提供する。これは、他の応用も可能であるが、光損失が<3dBであり、様々な高速データ通信アプリケーションの場合の2倍の垂直アライメントの公差窓を有する。 This invention relates to optical communication techniques. More specifically, the invention provides a laser chip and method for flip-chip bonding in silicon photonics chips having enhanced 3D passive alignment. More specifically, the invention provides a laser chip configured to have submicron precision in 3D passive alignment between the laser and waveguide in a silicon photonics chip. This has optical loss <3 dB and a 2x vertical alignment tolerance window for various high-speed data communication applications, although other applications are possible.

実施形態において、本発明は、3D受動アライメントフィーチャを有するシリコンフォトニクスチップにおけるフリップチップボンディングのためのレーザチップを提供する。レーザチップは、垂直方向におけるp領域とn領域とで作製された、長手方向において前面から裏面へと延伸するチップ体を含む。レーザチップはさらに、n領域のより広い幅に基づいて、チップ体の2つの側を超えてそれぞれ形成された一対の第1垂直ストッパを含む。さらに、レーザチップは、垂直方向におけるp領域とn領域との間のチップ体に埋められた、長手方向において前面から裏面へと延伸する直線形状の活性領域を含む。さらに、レーザチップは、前面に近いp領域の上面に、p領域の上面における活性領域の垂直投影線に対してサブミクロン精度で画定された横方向距離をおいて形成された長手方向の第1アライメントマークを含む。さらに、レーザチップは、前面と共有されている劈開された縁部を有するp領域の表面における薄い金属膜を含む。 In an embodiment, the present invention provides a laser tip for flip-chip bonding in a silicon photonics chip having a 3D passive alignment feature. The laser tip includes a chip body extending longitudinally from the front to the back, fabricated in a p-region and an n-region in the vertical direction. The laser tip further includes a pair of first vertical stoppers, each formed beyond two sides of the chip body based on the wider width of the n-region. Furthermore, the laser tip includes a linear active region extending longitudinally from the front to the back, embedded in the chip body between the p-region and the n-region in the vertical direction. Furthermore, the laser tip includes a longitudinal first alignment mark formed on the upper surface of the p-region near the front, at a lateral distance defined with submicron precision with respect to the vertical projection line of the active region on the upper surface of the p-region. Furthermore, the laser tip includes a thin metal film on the surface of the p-region having a cleaved edge shared with the front.

代替的な実施形態において、本発明は、強化された3Dアライメント精度および公差でシリコンフォトニクスチップにレーザチップを接合する方法を提供する。方法は、垂直方向におけるp領域とn領域との間に埋められた、長手方向において前面から裏面へと延伸する活性領域を有するチップ体を形成する段階と、チップ体のそれぞれの2つの側を超えて位置付けられた一対の第1垂直ストッパを形成する段階と、前面に近いp領域の上面に、p領域の上面における活性領域の垂直投影線に対してサブミクロン精度で画定された横方向距離をおいて、長手方向における第1アライメントマークを形成する段階と、前面と一致する劈開された縁部を有する薄い金属膜を形成する段階とを含む、レーザチップを提供するプロセスを含む。方法はさらに、凹状表面の上方の高さに位置付けられた導波路ポートを有する、シリコンフォトニクスチップの凹状表面におけるチップサイトを設定する段階を含む。チップサイトは、凹状表面に立っている一対の第2垂直ストッパと、凹状表面における導波路ポートの垂直投影線に対してサブミクロン精度で画定された横方向距離をおいた、凹状表面における第2アライメントマークとを含む。さらに、方法は、下を向いたp領域の上面を有するレーザチップを、半田材料を介して、凹状表面におけるチップサイトに、活性領域と導波路ポートとの間の垂直アライメントを決定するために一対の第2垂直ストッパとそれぞれ接合する一対の第1垂直ストッパで接合する段階を含む。さらに、方法は、第1アライメントマークを第2アライメントマークに位置合わせすることによって、横方向アライメントを決定する段階を含む。さらに、方法は、薄い金属膜の劈開された縁部における反射コントラストに基づいて前面を特定することによって、長手方向アライメントを決定する段階を含む。 In an alternative embodiment, the present invention provides a method for bonding a laser chip to a silicon photonics chip with enhanced 3D alignment accuracy and tolerances. The method includes a process for providing a laser chip, comprising the steps of: forming a chip body having an active region extending longitudinally from the front to the back, embedded between a p region and an n region in the vertical direction; forming a pair of first vertical stoppers positioned beyond two sides of each of the chip body; forming a first longitudinal alignment mark on the upper surface of the p region near the front, at a lateral distance defined with submicron precision with respect to the vertical projection line of the active region on the upper surface of the p region; and forming a thin metal film having a cleaved edge coinciding with the front. The method further includes the step of setting a chip site on a concave surface of a silicon photonics chip, having a waveguide port positioned at a height above the concave surface. The chip site includes a pair of second vertical stoppers standing on a concave surface and a second alignment mark on the concave surface, defined with submicron precision at a lateral distance from the perpendicular projection line of the waveguide port on the concave surface. Furthermore, the method includes the step of joining a laser tip having a downward-facing p-region upper surface to the chip site on the concave surface via a solder material, using a pair of first vertical stoppers, each joined to the pair of second vertical stoppers to determine the vertical alignment between the active region and the waveguide port. The method further includes the step of determining the lateral alignment by aligning the first alignment mark with the second alignment mark. Furthermore, the method includes the step of determining the longitudinal alignment by identifying the front surface based on the reflection contrast at the cleaved edge of a thin metal film.

別の代替的な実施形態において、本発明は、強化された受動アライメントフィーチャを有するシリコンフォトニクスチップにおけるフリップチップボンディングのためのレーザチップを提供する。レーザチップは、垂直方向におけるp領域とn領域とで作製された、長手方向において前面から裏面へと延伸するチップ体を含む。さらに、レーザチップは、チップ体の2つの側を超えてそれぞれ形成された一対の第1垂直ストッパを含む。さらに、レーザチップは、垂直方向におけるp領域とn領域との間のチップ体に埋められた、長手方向において前面から裏面へと延伸する直線形状の活性領域を含む。さらに、レーザチップは、前面に近いp領域の上面に、p領域の上面における活性領域の垂直投影線に対してサブミクロン精度で画定された横方向距離をおいて形成された長手方向の第1アライメントマークを含む。 In another alternative embodiment, the present invention provides a laser tip for flip-chip bonding in a silicon photonics chip having an enhanced passive alignment feature. The laser tip includes a tip body fabricated in a p-region and an n-region in the vertical direction, extending longitudinally from the front to the back. Furthermore, the laser tip includes a pair of first vertical stoppers formed beyond the two sides of the tip body, respectively. Furthermore, the laser tip includes a linear active region embedded in the tip body between the p-region and the n-region in the vertical direction, extending longitudinally from the front to the back. Furthermore, the laser tip includes a longitudinal first alignment mark formed on the upper surface of the p-region near the front, at a lateral distance defined with submicron precision with respect to the vertical projection line of the active region on the upper surface of the p-region.

さらに別の代替的な実施形態において、本発明は、強化された受動アライメントフィーチャを有するシリコンフォトニクスチップにおけるフリップチップボンディングのためのレーザチップを提供する。レーザチップは、垂直方向におけるp領域とn領域とで作製された、長手方向において前面から裏面へと延伸するチップ体を含む。さらに、レーザチップは、垂直方向におけるp領域とn領域との間のチップ体に埋められた、長手方向において前面から裏面へと延伸する直線形状の活性領域を含む。さらに、レーザチップは、前面に近いp領域の上面に、p領域の上面における活性領域の垂直投影線に対してサブミクロン精度で画定された横方向距離をおいて形成された長手方向の第1アライメントマークを含む。さらに、レーザチップは、前面と共有されている劈開された縁部を有するp領域の表面における薄い金属膜を含む。 In yet another alternative embodiment, the present invention provides a laser tip for flip-chip bonding in a silicon photonics chip having an enhanced passive alignment feature. The laser tip includes a chip body fabricated in a p-region and an n-region in the vertical direction, extending longitudinally from the front to the back. Furthermore, the laser tip includes a linearly shaped active region extending longitudinally from the front to the back, embedded in the chip body between the p-region and the n-region in the vertical direction. Furthermore, the laser tip includes a first longitudinal alignment mark formed on the upper surface of the p-region near the front, at a lateral distance defined with submicron precision with respect to the vertical projection line of the active region on the upper surface of the p-region. Furthermore, the laser tip includes a thin metal film on the surface of the p-region having a cleaved edge shared with the front.

本発明は、シリコンフォトニクスプラットフォームに関連付けられた半導体レーザの既知の技術の文脈で、これらの利点および他の利点を実現する。しかしながら、本発明の性質および特長の更なる理解は、明細書および添付図面の後者の部分を参照することによって実現され得る。 This invention realizes these and other advantages within the context of known technologies for semiconductor lasers associated with silicon photonics platforms. However, a further understanding of the nature and features of this invention can be achieved by referring to the latter portions of the specification and accompanying drawings.

以下の図は単に例であり、本明細書の特許請求の範囲を不当に限定するべきでない。当業者であれば、多くの他の変形形態、修正形態、および代替形態を認識するであろう。また、本明細書に記載される例および実施形態は、例示のみを目的とし、それらを考慮した様々な修正または変更が当業者に示唆され、添付の特許請求の範囲のこのプロセスおよび範囲の趣旨および権限に含まれるものとすることを理解すべきである。 The following figures are for illustrative purposes only and should not unduly limit the claims of this specification. Those skilled in the art will recognize many other variations, modifications, and alternative forms. Furthermore, it should be understood that the examples and embodiments described herein are for illustrative purposes only, and various modifications or changes taking them into consideration are suggested to those skilled in the art and are included in the intent and authority of this process and scope of the appended claims.

本発明の実施形態に係る、シリコンフォトニクスチップのチップサイト上に接合する、3Dアライメントフィーチャを有するレーザフリップチップの上面図である。This is a top view of a laser flip chip having a 3D alignment feature, which is bonded to the chip site of a silicon photonics chip, according to an embodiment of the present invention.

本発明の実施形態に係る、シリコンフォトニクスチップの凹状表面におけるチップサイト上に接合する、3Dアライメントフィーチャを有するレーザフリップチップの側面図である。This is a side view of a laser flip chip having a 3D alignment feature, which is bonded to a chip site on a concave surface of a silicon photonics chip, according to an embodiment of the present invention.

本発明の実施形態に係る、シリコンフォトニクスチップ上におけるレーザフリップチップボンディングに対する光結合効率対垂直位置ずれのプロットである。This is a plot of optical coupling efficiency versus vertical misalignment for laser flip-chip bonding on a silicon photonics chip according to an embodiment of the present invention.

本発明の実施形態に係る、レーザダイオードのクラッド層の再成長前に、レーザチップに横方向アライメントマークを形成する方法を示す概略図である。This is a schematic diagram illustrating a method for forming lateral alignment marks on a laser chip before regrowth of the cladding layer of a laser diode, according to an embodiment of the present invention.

本発明の実施形態に係る、レーザダイオードのクラッド層の再成長後に、レーザチップに横方向アライメントマークを形成する方法を示す概略図である。This is a schematic diagram illustrating a method for forming lateral alignment marks on a laser chip after regrowth of the cladding layer of a laser diode, according to an embodiment of the present invention.

本発明の実施形態に係る、クラッド層の再成長後にアライメントマークを形成するための活性層にわたってのInP成長速度対酸化膜マスクの幅のプロットである。This is a plot of the InP growth rate versus the width of the oxide mask across the active layer for forming alignment marks after regrowth of the cladding layer, according to an embodiment of the present invention.

本発明の実施形態に係る、レーザチップに横方向アライメントマークを形成する方法を示す概略図である。This is a schematic diagram illustrating a method for forming lateral alignment marks on a laser chip according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る、レーザチップに横方向アライメントマークを形成する方法を示す概略図である。This is a schematic diagram illustrating a method for forming lateral alignment marks on a laser chip according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る、レーザチップに横方向アライメントマークを形成する方法を示す概略図である。This is a schematic diagram illustrating a method for forming lateral alignment marks on a laser chip according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る、レーザチップに横方向アライメントマークを形成する方法を示す概略図である。This is a schematic diagram illustrating a method for forming lateral alignment marks on a laser chip according to an embodiment of the present invention.

本発明の別の実施形態に係る、レーザダイオードのクラッド層の再成長前に、レーザチップに横方向アライメントマークを形成する方法を示す概略図である。This is a schematic diagram illustrating a method for forming lateral alignment marks on a laser chip before regrowth of the cladding layer of a laser diode, according to another embodiment of the present invention.

本発明の別の実施形態に係る、レーザダイオードのクラッド層の再成長後に、レーザチップに横方向アライメントマークを形成する方法を示す概略図である。This is a schematic diagram illustrating a method for forming lateral alignment marks on a laser chip after regrowth of the cladding layer of a laser diode, according to another embodiment of the present invention.

本発明の実施形態に係る、レーザチップの前面を特定するための薄い金属膜を形成する方法を示す概略上面図である。This is a schematic top view illustrating a method for forming a thin metal film to identify the front surface of a laser chip, according to an embodiment of the present invention.

本発明は、光通信技法に関する。より具体的には、本発明は、強化された3D受動アライメントを有するシリコンフォトニクスチップにおけるフリップチップボンディングのためのレーザチップおよび方法を提供する。より具体的には、本発明は、シリコンフォトニクスチップにおけるレーザと導波路との間の3D受動アライメントにおいてサブミクロン精度を有するように構成されたレーザチップを提供する。これは、他の応用も可能であるが、光損失が<3dBであり、様々な高速データ通信アプリケーションの場合の2倍の垂直アライメントの公差窓を有する。 This invention relates to optical communication techniques. More specifically, the invention provides a laser chip and method for flip-chip bonding in silicon photonics chips having enhanced 3D passive alignment. More specifically, the invention provides a laser chip configured to have submicron precision in 3D passive alignment between the laser and waveguide in a silicon photonics chip. This has optical loss <3 dB and a 2x vertical alignment tolerance window for various high-speed data communication applications, although other applications are possible.

以下の説明は、当業者が本発明を作成および使用して、特定の用途のコンテキストに組み込むことができるようにするために提示される。様々な修正形態、および、異なる用途における様々な使用が、当業者にとって容易に明らかであり、本明細書に規定される一般原理は、広範囲の実施形態に適用され得る。したがって、本発明は、提示される実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示される原理および新規の特徴と一貫した、最も広い範囲に一致する。 The following description is provided to enable those skilled in the art to create and use the invention and incorporate it into the context of their specific application. Various modifications and diverse uses in different applications will be readily apparent to those skilled in the art, and the general principles set forth herein may apply to a wide range of embodiments. Therefore, the invention is not intended to be limited to the embodiments presented, but rather to encompass the broadest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.

本発明のより完全に理解を提供すべく、以下の詳細な説明において、多くの具体的な詳細が記載される。しかしながら、本発明は必ずしもこれら具体的な詳細に限定されることなく実施され得ることは当業者にとって明らかである。他の例において、本発明を不明瞭化することを回避すべく、周知の構造およびデバイスは、詳細に記載されるのではなく、ブロック図の形式で示されている。 To provide a more complete understanding of the present invention, many specific details are described in the following detailed description. However, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention can be implemented without necessarily being limited to these specific details. In other examples, to avoid obscuring the present invention, well-known structures and devices are shown in block diagrams rather than in detail.

読者の注意は、本明細書と同時に提出された、本明細書とともに公衆の調査に晒されるすべての紙面および文書に向けられ、すべてのそのような紙面および文書の内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。本明細書(任意の添付の特許請求の範囲、要約書、図面を含む)に開示されるすべてのフィーチャは、別様に明示的に述べられない限り、同一、同等、または同様の目的を果たす代替的なフィーチャに置き換えられ得る。したがって、別様に明示的に述べられない限り、開示された各フィーチャは、一般的な一連の同等または同様のフィーチャの一例に過ぎない。 The reader's attention is directed to all documents and papers submitted concurrently with this Specified and exposed to public scrutiny together with this Specified, and the contents of all such documents and papers are incorporated herein by reference. All features disclosed herein (including any attached claims, abstracts, and drawings) may be replaced by alternative features serving the same, equivalent, or similar purpose unless expressly stated otherwise. Thus, unless expressly stated otherwise, each disclosed feature is merely an example of a general set of equivalent or similar features.

さらに、指定された機能を実行する「手段」、または特定の機能を実行する「段階」を明示的に述べない特許請求の範囲における任意の要素は、35 U.S.C.Section 112,Paragraph 6において指定される「手段」または「段階」項目として解釈されるものではない。特に、本明細書の特許請求の範囲における「段階」または「動作」の使用は、35 U.S.C.112,Paragraph 6の規定を援用することを意図するものではない。 Furthermore, any element in the claims that does not explicitly state a “means” for performing a specified function, or a “stage” for performing a particular function, shall not be construed as a “means” or “stage” as defined in 35 U.S.C. Section 112, Paragraph 6. In particular, the use of “stage” or “operation” in the claims herein is not intended to invoke the provisions of 35 U.S.C. 112, Paragraph 6.

使用される場合、内側、外側、左、右、前、後、上部、底部、端、側、順方向、逆方向、垂直、長手、横方向、凹部、隆起状、谷状、時計回りおよび反時計回りというラベルは、便宜上の目的でのみ使用されており、任意の特定の固定された方向を示唆することを意図するものではないことに留意されたい。代わりにそれらは、対象の様々な部分の間の相対的な位置および/または方向を反映するために使用される。 When used, the labels inward, outward, left, right, front, back, top, bottom, edge, side, forward, reverse, vertical, longitudinal, transverse, concave, raised, valley, clockwise, and counterclockwise are for convenience only and are not intended to suggest any specific fixed direction. Instead, they are used to reflect the relative position and/or orientation between different parts of an object.

ある態様において、本開示は、強化された3D受動アライメントでシリコンフォトニクスチップにフリップチップボンディングするための半導体レーザチップを提供する。一例において、レーザは、シリコンフォトニクスプラットフォームにおける広帯域波長調整可能レーザに適用される半導体光増幅器の高出力操作性のために構成され得る。図1Aは上面図であり、図1Bは本発明の実施形態に係る、シリコンフォトニクスチップの凹状表面におけるチップサイト上に接合する、3Dアライメントフィーチャを有するレーザフリップチップの側面図である。この図は単に一例であり、本明細書の特許請求の範囲を不当に限定するべきでない。当業者であれば、多くの変形形態、代替形態、および修正形態を認識するであろう。示されるように、上面図において、上を向いているp領域103と下を向いているn領域105とを有するレーザチップが図の左側に示される。レーザチップは、p領域103とn領域105との間に位置付けられ、前面107から裏面108へと長手方向(y方向)において延伸する、活性領域101(実際にはp領域103の下方に位置付けられるべきであり、上面図において直接見えることはない)を含む。任意選択的に、n領域105は、p領域103より広い幅を有する。一対の第1垂直ストッパ201が、n領域105のより広い幅に基づいて、p領域103の2つの反対側を超えて形成される。任意選択的に、第1垂直ストッパ201は、y方向に沿って細長い形状を有する。この上面図において、レーザチップはまた、1つまたは2つのアライメントマーク203をp領域103の上面に含む。各アライメントマーク203は、前面107に近い長手(y)方向に沿っている線形状のフィーチャの一部分であり、p領域103の上面における活性領域101の投影線から横方向距離dをおいてそれぞれ位置付けられている。任意選択的に、2つのアライメントマークが、2つの側において対称的に、p領域103の上面における活性領域101の投影線に対して等しい距離dをおいて、形成される。任意選択的に、距離dは、フォトリソグラフィマスキングを使用するとともに、レーザ活性領域101の周辺にレーザ閉じ込め/クラッド層の再成長プロセスを実行することによって、サブミクロン精度で制御され得る。さらに、薄い金属膜205が、長手(y)方向におけるアライメントを容易にするために顕微鏡下におけるレーザの前面の位置を特定するように構成されている、前面107と共有されている縁部を有するように形成される。 In one embodiment, the present disclosure provides a semiconductor laser chip for flip-chip bonding to a silicon photonics chip with enhanced 3D passive alignment. In one example, the laser may be configured for high-power operability of a semiconductor optical amplifier applied to a broadband wavelength tunable laser in a silicon photonics platform. Figure 1A is a top view, and Figure 1B is a side view of a laser flip-chip having a 3D alignment feature that bonds onto a chip site on a concave surface of a silicon photonics chip, according to an embodiment of the present invention. This figure is merely an example and should not unduly limit the scope of the claims herein. Those skilled in the art will recognize many variations, alternatives, and modifications. As shown, in the top view, a laser chip having an upward-facing p region 103 and a downward-facing n region 105 is shown on the left side of the figure. The laser tip includes an active region 101 (which should actually be located below the p region 103 and is not directly visible in the top view) positioned between the p region 103 and the n region 105, extending longitudinally (y-direction) from the front surface 107 to the back surface 108. Optionally, the n region 105 has a wider width than the p region 103. A pair of first vertical stoppers 201 are formed beyond the two opposite sides of the p region 103 based on the wider width of the n region 105. Optionally, the first vertical stoppers 201 have an elongated shape along the y-direction. In this top view, the laser tip also includes one or two alignment marks 203 on the top surface of the p region 103. Each alignment mark 203 is part of a linear feature along the longitudinal (y-direction) near the front surface 107, and is positioned at a lateral distance d from the projection line of the active region 101 on the top surface of the p region 103. Optionally, two alignment marks are formed symmetrically on two sides, at equal distances d from the projection line of the active region 101 on the upper surface of region p 103. Optionally, the distance d can be controlled with submicron precision by using photolithography masking and by performing a laser confinement/cladding layer regrowth process around the laser active region 101. Furthermore, a thin metal film 205 is formed to have an edge shared with the front surface 107, configured to identify the position of the laser front surface under a microscope to facilitate longitudinal (y) alignment.

図1Aを参照すると、上面図において、レーザチップは、シリコンフォトニクスチップの表面30上の予めセットアップされたチップサイト300に対してフリップチップボンディングされるように設計される。上面図の中央に示されるように、チップサイト300は、シリコンフォトニクスチップの表面30上に立っており、y方向に沿って細長い形状を有し、一対の第1垂直ストッパ201に実質的に等しい横方向間隔を有する、少なくとも一対の第2垂直ストッパ301を含む。チップサイト300にはまた、シリコンフォトニクスチップの表面30の表面に内接している2つのアライメントマーク303が形成され、これらは、サブミクロン精度で横方向(x)方向においてレーザチップ上のアライメントマーク203と位置合わせするように設計されている。 Referring to Figure 1A, in the top view, the laser chip is designed to be flip-chip bonded to a pre-set-up chip site 300 on the surface 30 of the silicon photonics chip. As shown in the center of the top view, the chip site 300 stands on the surface 30 of the silicon photonics chip, has an elongated shape along the y-direction, and includes at least one pair of second vertical stoppers 301 with a lateral spacing substantially equal to that of a pair of first vertical stoppers 201. The chip site 300 also has two alignment marks 303 formed inscribed on the surface 30 of the silicon photonics chip, which are designed to align with the alignment marks 203 on the laser chip in the lateral (x) direction with submicron precision.

図1Aを再び参照すると、右側の上面図において、レーザチップは、シリコンフォトニクスチップの表面30におけるチップサイト300にフリップボンディングされる。フリップチップボンディング位置において、レーザチップの上の一対の第1垂直ストッパ201は、表面30の上の一対の第2垂直ストッパの上に停止しているかまたはそれと接合しており、これは、一対の第1垂直ストッパ201と一対の第2垂直ストッパ301との両方が実質的に等しい横方向間隔を有するからである。後ほど示されるように、第1垂直ストッパおよび第2垂直ストッパのそれぞれは、特定の高さ設計を有しており、レーザチップの活性領域101をシリコンフォトニクスチップにおける導波路と垂直(z)方向において位置合わせさせる。これは、比較的に大きい垂直距離の公差窓での所望の<3dBの光結合損失を有する。レーザチップのアライメントマーク203は、シリコンフォトニクスチップの表面30上のアライメントマーク303に位置合わせするのに使用されることにより、レーザチップの活性領域101がサブミクロン精度で横方向(x)方向において導波路と位置合わせされて、活性領域から導波路に通過するレーザ光の<3dBの結合損失の達成をサポートし得る。薄い金属膜205は、前面107の位置を特定するための光学反射の良好なコントラストを生成するのに使用され得る。これは、活性領域から導波路に通過するレーザ光の<3dBの結合損失の達成をサポートするための、長手y方向におけるアライメントのための重要な基準点である。 Referring again to Figure 1A, in the top view on the right, the laser tip is flip-bonded to the tip site 300 on the surface 30 of the silicon photonics chip. At the flip-chip bonding position, a pair of first vertical stoppers 201 on the laser tip rest on or bond with a pair of second vertical stoppers on the surface 30, because both the pair of first vertical stoppers 201 and the pair of second vertical stoppers 301 have substantially equal lateral spacing. As will be shown later, each of the first and second vertical stoppers has a specific height design to align the active region 101 of the laser tip with the waveguide in the silicon photonics chip in the direction perpendicular to (z). This has a desired optical coupling loss of <3 dB with a relatively large tolerance window for vertical distances. The alignment mark 203 on the laser tip is used to align the laser tip's active region 101 with the waveguide in the lateral (x) direction with submicron precision, thereby supporting the achievement of a coupling loss of <3 dB for the laser light passing from the active region to the waveguide. A thin metal film 205 can be used to generate good contrast of optical reflections to pinpoint the position of the front surface 107. This is a crucial reference point for alignment in the longitudinal y direction, supporting the achievement of a coupling loss of <3 dB for the laser light passing from the active region to the waveguide.

図1Bを参照すると、側面図の上部は、シリコンフォトニクスチップの凹状表面30上のレーザチップのフリップボンディングの(x方向に沿っている)AA'平面に沿った断面図を示す。示されるように、p領域103は、下を向くようになり、半田材料305を介して、シリコンフォトニクスチップの凹状表面30(上のチップサイト300)と接合する。同時に、一対の第1垂直ストッパ201を接近させて一対の第2垂直ストッパ301に接合させることで、活性領域101の垂直位置を決定する一方、p領域の表面は余分の半田材料305を離れるように柔軟に押して、凹状表面30の上部における半田材料305の残りの部分に定着し得る。 Referring to Figure 1B, the upper part of the side view shows a cross-sectional view along the AA' plane (along the x-direction) of the flip bonding of the laser chip on the concave surface 30 of the silicon photonics chip. As shown, the p-region 103 faces downward and bonds with the concave surface 30 (upper chip site 300) of the silicon photonics chip via the solder material 305. Simultaneously, the vertical position of the active region 101 is determined by bringing the pair of first vertical stoppers 201 closer and bonding them to the pair of second vertical stoppers 301, while the surface of the p-region flexibly pushes away the excess solder material 305, allowing it to adhere to the remaining portion of the solder material 305 on the upper part of the concave surface 30.

側面図の下部は、シリコンフォトニクスチップの凹状表面30における半田材料305を介したレーザチップのフリップボンディングのBB'平面に沿った(y方向に沿った)断面図を、p領域103(底部)とn領域105(上部)との間に置かれた実質的に直線形状の活性領域101とともに示す。任意選択的に、活性領域101は、p領域が半田材料305を介して凹状表面30に定着すると、凹状表面30の上方に高さhであるように配置される。それがシリコンフォトニクスチップに形成されると、光導波路310は、レーザフリップチップの前面107を向いている凹状表面30に関連付けられた側壁における受信ポートとともに、y方向に沿って水平に置かれる。任意選択的に、側壁におけるポートを含む光導波路310は、凹状表面30の上方に高さhを有するように設計される。線形活性領域101と光導波路310との間において最大結合効率を有する理想的な光学アライメントは、図2に示されるように、h=hまたは垂直方向の位置ずれg=h-h=0になるように完全な垂直アライメントを要求する。 The lower part of the side view shows a cross-sectional view along the BB' plane (along the y-direction) of the flip bonding of the laser chip via solder material 305 on the concave surface 30 of the silicon photonics chip, along with a substantially linear active region 101 positioned between region p (bottom) and region n (top). Optionally, the active region 101 is positioned above the concave surface 30 to a height h 1 once region p is fixed to the concave surface 30 via solder material 305. Once formed on the silicon photonics chip, the optical waveguide 310 is positioned horizontally along the y-direction, along with a receiving port in the sidewall associated with the concave surface 30 facing the front surface 107 of the laser flip chip. Optionally, the optical waveguide 310, including the port in the sidewall, is designed to have a height h 2 above the concave surface 30. The ideal optical alignment that has the maximum coupling efficiency between the linear active region 101 and the optical waveguide 310 requires perfect vertical alignment such that h1 = h2 or vertical misalignment g = h1 - h2 = 0, as shown in Figure 2.

図2を参照すると、完全な垂直アライメントに対応する最大結合効率は、約-2dBの結合損失に関連付けられ得る。レーザフリップチップボンディングの場合、シリコンフォトニクスチップにおける導波路ポートに対するレーザの活性領域の垂直アライメント位置は、レーザチップ内の活性領域に対する一対の第1垂直ストッパと、シリコンフォトニクスチップ内の光導波路に対する一対の第2垂直ストッパとの相対的位置によって主に決定される。活性領域101を側壁における光導波路310のポートに垂直方向の位置ずれg=0であるように完璧に位置合わせする場合、最大結合効率が潜在的に与えられる。しかし、実際には、第2(または第1)垂直ストッパの停止面に形成されたいくつかの破片が常に存在し得、それにより、それらがレーザチップにまとめて接合される場合、活性領域101はより高い位置に配置されるように物理的に強制される。これは、最悪の許容可能な結合効率が-3dBで与えられると、活性領域と光導波路310との間の結合効率がR0の範囲に含まれるようにする。R0は、したがって、垂直アライメントの公差範囲になる。任意選択的に、公差範囲R0は、0から約0.5~0.7μmである。 Referring to Figure 2, the maximum coupling efficiency corresponding to perfect vertical alignment can be associated with a coupling loss of approximately -2 dB. In the case of laser flip-chip bonding, the vertical alignment position of the laser's active region relative to the waveguide port in the silicon photonics chip is primarily determined by the relative positions of a pair of first vertical stoppers relative to the active region in the laser chip and a pair of second vertical stoppers relative to the optical waveguide in the silicon photonics chip. The maximum coupling efficiency is potentially given when the active region 101 is perfectly aligned with the port of the optical waveguide 310 in the side wall with a vertical displacement g = 0. However, in practice, there may always be some debris formed on the stopping surface of the second (or first) vertical stoppers, thereby physically forcing the active region 101 to be positioned higher when they are bonded together to the laser chip. This causes the coupling efficiency between the active region and the optical waveguide 310 to fall within the range of R0, given that the worst-case acceptable coupling efficiency is -3 dB. R0, therefore, represents the tolerance range for vertical alignment. Optionally, the tolerance range R0 is approximately 0 to 0.5–0.7 μm.

本発明の実施形態において、レーザチップの垂直アライメント設計は、レーザチップの形成プロセスの間、レーザチップが接合される対応するシリコンフォトニクスチップにおける凹状表面30の上の光導波路310に対する第2垂直ストッパ301の停止面の垂直高さに基づいて、活性領域101に対するレーザチップにおける一対の第1垂直ストッパ201の停止面の垂直高さを調整するためのものである。ここで参照される停止面は、垂直ストッパの端面である。第1垂直ストッパ201の垂直高さは、n領域103に対してより広い幅を有するn領域105におけるその基部に対する対応する停止面の高さである。第2垂直ストッパ301の垂直高さは、凹状表面30におけるその基部に対する停止面に対応する高さである。垂直アライメント設計のターゲットは、光導波路310の約-0.5μm~-0.7μm下に垂直方向の位置ずれg<0を意図的に設定するためのものである。この実施形態において、図2に示されるように、活性領域101と光導波路310との間の-3dBの同じ許容可能な結合効率に対して、垂直アライメントの公差範囲R1は、ウィンドウサイズが-0.5~-0.7μmから+0.5~0.7μmとほぼ2倍になる。 In embodiments of the present invention, the vertical alignment design of the laser chip is for adjusting the vertical height of the stopping surfaces of a pair of first vertical stoppers 201 in the laser chip relative to the active region 101, based on the vertical height of the stopping surface of a second vertical stopper 301 relative to the optical waveguide 310 on a concave surface 30 in the corresponding silicon photonics chip to which the laser chip is bonded during the laser chip formation process. The stopping surface referred to herein is the end face of the vertical stopper. The vertical height of the first vertical stopper 201 is the height of the corresponding stopping surface relative to its base in n region 105, which has a wider width than n region 103. The vertical height of the second vertical stopper 301 is the height of the stopping surface relative to its base on the concave surface 30. The target of the vertical alignment design is to intentionally set a vertical misalignment g < 0 approximately -0.5 μm to -0.7 μm below the optical waveguide 310. In this embodiment, as shown in Figure 2, for the same acceptable coupling efficiency of -3 dB between the active region 101 and the optical waveguide 310, the tolerance range R1 of the vertical alignment is approximately doubled, from a window size of -0.5 to -0.7 μm to +0.5 to 0.7 μm.

別の態様において、本発明は、サブミクロン精度の3D受動光学アライメントでシリコンフォトニクスチップにフリップチップボンディングするためのレーザチップセットを形成する方法を提供する。図1は、サブミクロン精度の垂直アライメント公差を制御/調整するために垂直ストッパを使用するフィーチャと、シリコンフォトニクスチップのチップサイトにおける横方向アライメントを実現するためのレーザチップのp領域の上面のアライメントマークのフィーチャとを示す。図3A及び図3Bは、本発明の実施形態に係る、レーザダイオードのクラッド層の再成長前および再成長後に、レーザチップに横方向アライメントマークを形成する方法を示す概略図である。この図は単に一例であり、本明細書の特許請求の範囲を不当に限定するべきでない。当業者であれば、多くの変形形態、代替形態、および修正形態を認識するであろう。 In another embodiment, the present invention provides a method for forming a laser chipset for flip-chip bonding to a silicon photonics chip with submicron-precision 3D passive optical alignment. Figure 1 shows a feature using a vertical stopper to control/adjust a submicron-precision vertical alignment tolerance, and a feature of alignment marks on the upper surface of the p-region of the laser chip to achieve lateral alignment at the chip site of the silicon photonics chip. Figures 3A and 3B are schematic diagrams illustrating a method for forming lateral alignment marks on a laser chip before and after regrowth of the cladding layer of a laser diode, according to embodiments of the present invention. These figures are merely examples and should not unduly limit the scope of the claims herein. Those skilled in the art will recognize many variations, alternatives, and modifications.

実施形態において、図3Aは、レーザチップの形成プロセスの途中における概略図を示す。示されるように、活性層400は、閉じ込め/クラッド層40にわたって形成される。動作波長スペクトルに応じて、活性層400は、1または複数の化合物半導体、または、多重量子井戸構造として構成されたInAsP、GaInNA、GaInAsP、GaInAおよびAlGaInAの組み合わせを含む異なる半導体材料を含む。閉じ込め/クラッド層40は通常、様々なドーピングプロファイルと、活性層400のそれと比較して異なるエネルギーギャップとを有するInPベースの半導体材料を含む。任意選択的に、閉じ込め/クラッド層40は、n型不純物でドーピングされ、n領域105(レーザチップのn領域105、図1を参照)として構成される。 In an embodiment, Figure 3A shows a schematic diagram of the laser chip formation process midway through. As shown, the active layer 400 is formed over the confinement/cladding layer 40. Depending on the operating wavelength spectrum, the active layer 400 includes one or more compound semiconductors, or different semiconductor materials including combinations of InAsP, GaInNA, GaInAsP, GaInA, and AlGaInA configured as multiple quantum well structures. The confinement/cladding layer 40 typically includes an InP-based semiconductor material with various doping profiles and different energy gaps compared to that of the active layer 400. Optionally, the confinement/cladding layer 40 is doped with n-type impurities and configured as an n-region 105 (n-region 105 of the laser chip, see Figure 1).

図3Aを参照すると、3D受動光学アライメントでシリコンフォトニクスチップにフリップチップボンディングするためのレーザチップセットを形成する方法は、活性領域101(図1)が形成される活性層400にわたって第1の幅w1の第1酸化膜マスク401を、第1アライメントマークが形成される活性層400にわたって第2の幅w2の第2酸化膜マスク402を配置することを含む。図3Aは、幅w1の第1酸化膜マスク401から横方向距離sだけ離れて形成された幅w2の第2酸化膜マスク402を示す断面図である。これは、マスキングおよびフォトリソグラフィの成熟した技術を使用して行われ、w1、w2およびsの寸法を設定するためのサブミクロン精度を実現し得る。任意選択的に、第1の幅w1は、約1.5μm~3.5μmに設定される。任意選択的に、第2の幅w2は、図3Aに示されるように、第1の幅w1より約0.1μm~2μm、または1~3.5μm小さく設定される。任意選択的に、第2の幅w2は、別の実施形態において図6Aに示されるように、第1の幅w1より約2.5μm~8.5μm、または1μm~5μm大きく設定される。任意選択的に、第1の幅w1および第2の幅w2は、サブミクロン精度で、それらの横方向の位置において1μmと5μmとの間の差を有するように構成されている。任意選択的に、第2酸化膜マスクと同様の第3酸化膜マスクが、等間隔dをおいて第1酸化膜マスクの反対側に形成され得、これは対称の第1アライメントマークを形成することを意図している。 Referring to Figure 3A, a method for forming a laser chipset for flip-chip bonding to a silicon photonics chip using 3D passive optical alignment includes placing a first oxide mask 401 with a first width w1 over an active layer 400 where an active region 101 (Figure 1) is formed, and a second oxide mask 402 with a second width w2 over an active layer 400 where a first alignment mark is formed. Figure 3A is a cross-sectional view showing the second oxide mask 402 with width w2 formed at a lateral distance s from the first oxide mask 401 with width w1. This is done using mature masking and photolithography techniques, which can achieve submicron precision for setting the dimensions of w1, w2, and s. Optionally, the first width w1 is set to about 1.5 μm to 3.5 μm. Optionally, the second width w2 is set to about 0.1 μm to 2 μm, or 1 to 3.5 μm, smaller than the first width w1, as shown in Figure 3A. Optionally, the second width w2 is set to be approximately 2.5 μm to 8.5 μm, or 1 μm to 5 μm, greater than the first width w1, as shown in Figure 6A in another embodiment. Optionally, the first width w1 and the second width w2 are configured to have a difference between 1 μm and 5 μm in their lateral positions with submicron precision. Optionally, a third oxide mask similar to the second oxide mask may be formed on the opposite side of the first oxide mask at equal intervals d, intended to form symmetrical first alignment marks.

図3Bを参照すると、3D受動光学アライメントでシリコンフォトニクスチップにフリップチップボンディングするためのレーザチップセットを形成する方法は、レーザチップのp領域の再成長の上面にアライメントマーク203を形成すべく、図3Aに示される構造に適用された再成長プロセスを実行する段階を含む。図3Bは、p型の閉じ込め/クラッド層40'とn型の閉じ込め/クラッド層40との間に、第1酸化膜マスクの下の活性領域101と、第2酸化膜マスク(402)下の活性層(400)のより狭いセクション112とを残しつつマスクが除去されたp型の閉じ込め/クラッド層40'の再成長によって形成された、仕上げられたp領域の断面図を示す。この断面図には図示されていないが、活性領域101は、レーザチップの前面から裏面にかけて(断面に対して垂直である)長手y方向において延伸する長い長さを有しており、その一方、より狭いセクション112は、長手y方向においては単なる短い長さを有していることに留意されたい。特に、仕上げられたp領域の上面は、近傍のp型の閉じ込め/クラッド層40'のより均一な成長速度に起因する活性領域101の形成をもたらした、先に配置された第1酸化膜マスクにわたって比較的に平坦化された領域411を有するプロファイルを含み、近傍のp型の閉じ込め/クラッド層40'のより遅い成長速度に起因する活性層のより狭いセクション112の形成をもたらした、先に配置された第2酸化膜マスクにわたって短い長さを有する小さいピーク状/隆起状の隆起領域203の近くに、浅いバンカー領域413をも含む。 Referring to Figure 3B, the method for forming a laser chipset for flip-chip bonding to a silicon photonics chip using 3D passive optical alignment includes the step of performing a regrowth process applied to the structure shown in Figure 3A in order to form alignment marks 203 on the regrowth surface of the p-region of the laser chip. Figure 3B shows a cross-sectional view of the finished p-region formed by the regrowth of the p-type confinement/cladding layer 40', with the mask removed between the p-type confinement/cladding layer 40' and the n-type confinement/cladding layer 40, leaving an active region 101 under the first oxide mask and a narrower section 112 of the active layer (400) under the second oxide mask (402). Although not shown in this cross-sectional view, note that the active region 101 has a long length extending in the longitudinal y-direction (perpendicular to the cross-section) from the front to the back of the laser chip, while the narrower section 112 has a simply short length in the longitudinal y-direction. In particular, the upper surface of the finished p-region includes a profile with a relatively flattened region 411 across the previously placed first oxide mask, resulting in the formation of an active region 101 due to a more uniform growth rate of the neighboring p-type confinement/cladding layer 40', and also includes a shallow bunker region 413 near a small, short-length peak-like/elevated region 203 across the previously placed second oxide mask, resulting in the formation of a narrower section 112 of the active layer due to a slower growth rate of the neighboring p-type confinement/cladding layer 40'.

図4は、本発明の実施形態に係る、クラッド層の再成長後にアライメントマークを形成するための活性層にわたってのInP成長速度対酸化膜マスクの幅のプロットである。示されるように、異なる酸化膜マスクに関連付けられた再成長プロセス下でのクラッド層の成長は、再成長プロセスにおけるInPベースのクラッド層の成長増大は、酸化膜マスクの幅にほぼ線形的に依存するという興味深い効果を示す。この効果は、第2の幅w2の第2酸化膜マスクに関連付けられた領域におけるInPベースの材料の成長速度を、マスクが除去された後の再成長プロセスの間、w2より大きい第1の幅w1(w1>w2)の第1酸化膜マスクに関連付けられた領域におけるInPベースの材料の成長速度に対してより小さくさせる(図3Aを参照)。したがって、再成長プロセスが進むにつれて、浅いバンカー領域413が形成され、先に配置された第2酸化膜マスク402(現在は、クラッド層の中央に残っている活性層112のより狭いセクションによって示されている)の位置の上部に対して実質的に垂直で位置付けられている、短い長さの隆起状の隆起領域203が効果的に形成させられる(図3B)。任意選択的に、第2の1つの隆起状の隆起領域が、活性領域に対して等間隔dを有する他の側における第3酸化膜マスクに基づいて形成され得る。 Figure 4 is a plot of InP growth rate versus oxide mask width across the active layer for forming alignment marks after regrowth of the cladding layer, according to an embodiment of the present invention. As shown, the growth of the cladding layer under the regrowth process associated with different oxide masks exhibits an interesting effect: the increased growth of the InP-based cladding layer in the regrowth process depends almost linearly with the width of the oxide mask. This effect causes the growth rate of the InP-based material in the region associated with the second oxide mask of second width w2 to be lower than the growth rate of the InP-based material in the region associated with the first oxide mask of first width w1 (w1 > w2), which is greater than w2, during the regrowth process after the mask has been removed (see Figure 3A). Thus, as the regrowth process progresses, a shallow bunker region 413 is formed, effectively creating a short-length, raised elevation region 203 that is positioned substantially perpendicular to the top of the previously positioned second oxide mask 402 (now indicated by a narrower section of the active layer 112 remaining in the center of the cladding layer) (Figure 3B). Optionally, a second raised region may be formed based on a third oxide film mask on the other side, having an equal spacing d relative to the active region.

図6Aに示される別の実施形態において、第2マスク402の第2の幅w2は、第1酸化膜マスク401の第1の幅w1より大きくすることができる。任意選択的に、第1の幅w1および第2の幅w2は、サブミクロン精度でsだけ離れて、それらの横方向の位置において1μmと5μmとの間の差を有するように構成されている。任意選択的に、第1の幅w1は、約1.5μm~3.5μmに設定される。第2の幅w2は、約2.5μm~8.5μmに設定される。図4に示される成長増大の効果は依然として同様に作用し、それにより、再成長プロセスにおけるInPベースのクラッド層の成長増大は、酸化膜マスクの幅にほぼ線形的に依存する。第2酸化膜マスクの近くの領域の周辺のクラッド層の成長速度は、第1酸化膜マスクの近くの領域の周辺のそれより大きくなる。再成長プロセスが図6Aに示された構造に適用されると、異なる酸化膜マスクの幅に対して異なる成長速度を有する再成長プロセスは、レーザチップのp領域の再成長の上面の上にアライメントマーク203'(図6B)の形成をもたらす。図6Bは、p型の閉じ込め/クラッド層40'とn型の閉じ込め/クラッド層40との間に、第1酸化膜マスクの下の活性領域101と、第2酸化膜マスク(402')下の活性層(400)のより広いセクション112'とを残しつつマスクが除去されたp型の閉じ込め/クラッド層40'の再成長によって形成された、仕上げられたp領域の断面図を示す。この断面図には図示されていないが、活性領域101は、レーザチップの前面から裏面にかけて(断面に対して垂直である)長手y方向において延伸する長い長さを有しており、その一方、より短いセクション112は、長手y方向においては単なる短い長さを有していることに留意されたい。図6Bにおける仕上げられたp領域の上面は、近傍のp型の閉じ込め/クラッド層40'のより均一な成長速度に起因する活性領域101の形成をもたらした、先に配置された第1酸化膜マスクにわたって比較的に平坦化された領域411を有するプロファイルを含み、近傍のp型の閉じ込め/クラッド層40'のより速い成長速度に起因する活性層のより広いセクション112'の形成をもたらした、先に配置された第2酸化膜マスクにわたって短い長さを有する谷状の窪み領域203'の近くに、小山領域443をも含む。 In another embodiment shown in Figure 6A, the second width w2 of the second mask 402 can be greater than the first width w1 of the first oxide mask 401. Optionally, the first width w1 and the second width w2 are configured to have a difference between 1 μm and 5 μm in their lateral positions, separated by a distance s in submicron precision. Optionally, the first width w1 is set to approximately 1.5 μm to 3.5 μm. The second width w2 is set to approximately 2.5 μm to 8.5 μm. The growth-enhancing effect shown in Figure 4 still operates similarly, thereby the growth-enhancing of the InP-based cladding layer in the regrowth process depends almost linearly with the width of the oxide mask. The growth rate of the cladding layer around the region near the second oxide mask is greater than that around the region near the first oxide mask. When the regrowth process is applied to the structure shown in Figure 6A, the regrowth process, having different growth rates for different oxide mask widths, results in the formation of alignment marks 203' (Figure 6B) on the top surface of the regrowth of the p-region of the laser tip. Figure 6B shows a cross-sectional view of the finished p-region formed by the regrowth of the p-type confinement/cladding layer 40', where the mask is removed between the p-type confinement/cladding layer 40' and the n-type confinement/cladding layer 40, leaving the active region 101 under the first oxide mask and the wider section 112' of the active layer (400) under the second oxide mask (402'). Although not shown in this cross-sectional view, it should be noted that the active region 101 has a long length extending in the longitudinal y-direction (perpendicular to the cross-section) from the front to the back of the laser tip, while the shorter section 112 has a simply short length in the longitudinal y-direction. The upper surface of the finished p-region in Figure 6B includes a profile with a relatively flattened region 411 across the previously placed first oxide mask, resulting in the formation of an active region 101 due to a more uniform growth rate of the neighboring p-type confinement/cladding layer 40', and also includes a small hill region 443 near a short-length valley-like depression region 203' across the previously placed second oxide mask, resulting in the formation of a wider section 112' of the active layer due to a faster growth rate of the neighboring p-type confinement/cladding layer 40'.

最終的には、レーザチップのp領域は、上面を有するp領域の形成の最終成長の後に形成されるので、隆起状の隆起領域203または谷状の窪み領域203'は、周囲の浅いバンカー領域413より高くなるように、または周囲の小山領域443より低くなるように形成され、図1において見られるように、p領域の上面の上の第1アライメントマーク203または203'になる。任意選択的に、第1アライメントマーク203(203')は、第1酸化膜マスク401に対する先に配置された第2酸化膜マスク402と同じである、p領域の上面の上の活性領域101の投影線に対する横方向の位置を有する。酸化膜マスクはその横方向の位置においてサブミクロン精度で置かれ得るので、レーザチップの上に形成された第1アライメントマーク203(203')は、シリコンフォトニクスチップへのレーザフリップチップボンディングのための所望の横方向アライメントを実現するために使用され得るのと同じサブミクロン精度を有する。任意選択的に、同様の隆起状/谷状の領域を有する別の第1アライメントマークが、p領域の上面における活性領域の投影線に対して等間隔dをおいて反対側に対称的に形成され得る。 Ultimately, since the p-region of the laser tip is formed after the final growth of the formation of the p-region having an upper surface, the raised-up region 203 or the valley-like recessed region 203' is formed to be higher than the surrounding shallow bunker region 413 or lower than the surrounding hill region 443, becoming the first alignment mark 203 or 203' on the upper surface of the p-region, as seen in Figure 1. Optionally, the first alignment mark 203 (203') has a lateral position relative to the projection line of the active region 101 on the upper surface of the p-region, which is the same as the previously positioned second oxide mask 402 relative to the first oxide mask 401. Since the oxide masks can be positioned with submicron precision in their lateral position, the first alignment mark 203 (203') formed on the laser tip has the same submicron precision that can be used to achieve the desired lateral alignment for laser flip-chip bonding to a silicon photonics chip. Optionally, another first alignment mark having similar raised/valley-like regions may be formed symmetrically on the opposite side of the upper surface of region p, at equal intervals d from the projection line of the active region.

図5Aから図5Dは、本発明の実施形態に係る、レーザチップに横方向アライメントマークを形成する方法を示す概略図である。これら図は単に一例であり、本明細書の特許請求の範囲を不当に限定するべきでない。当業者であれば、多くの変形形態、代替形態、および修正形態を認識するであろう。特定の実施形態において、方法は、活性領域101(図1)が形成される活性層400にわたって第1酸化膜マスク401と、その上にアライメントマークが形成される活性層400にわたって第2の幅w2の第2酸化膜マスク402とを配置する段階を含む。任意選択的に、酸化物層は、活性層400の上層に堆積される。パターニング/リソグラフィ処理が酸化物層に実行されて、第1の幅w1(および前面位置から裏面位置へと長手y方向において延伸される第1長さ)を有する第1マスク401と、第2の幅w2(および第1長さに平行して約1μmであるかまたはそれより短い第2長さ)を有する第2マスク402とを画定する。任意選択的に、第1の幅w1および第2の幅w2は、サブミクロン精度でsだけ離れて、それらの横方向の位置において1μmと5μmとの間の差を有するように構成されている。任意選択的に、酸化物エッチング処理が実行され、第1酸化膜マスク401および第2酸化膜マスク402の形成をもたらす(図5Aを参照)。 Figures 5A to 5D are schematic diagrams illustrating a method for forming lateral alignment marks on a laser tip according to an embodiment of the present invention. These figures are merely examples and should not unduly limit the scope of the claims herein. Those skilled in the art will recognize many variations, alternatives, and modifications. In a particular embodiment, the method includes the step of placing a first oxide mask 401 over an active layer 400 on which an active region 101 (Figure 1) is formed, and a second oxide mask 402 with a second width w2 over the active layer 400 on which alignment marks are formed. Optionally, the oxide layer is deposited on top of the active layer 400. Patterning/lithography is performed on the oxide layer to define a first mask 401 having a first width w1 (and a first length extending in the longitudinal y direction from the front position to the back position) and a second mask 402 having a second width w2 (and a second length of about 1 μm or less parallel to the first length). Optionally, the first width w1 and the second width w2 are configured to be separated by a distance s with submicron precision, and to have a difference of 1 μm and 5 μm in their lateral positions. Optionally, an oxide etching process is performed to result in the formation of the first oxide mask 401 and the second oxide mask 402 (see Figure 5A).

さらに、方法は、酸化膜マスクを部分的にアンダーカットして酸化膜マスクの周辺に隙間421、422、423が形成された活性層400の下にあるn型の閉じ込め/クラッド層40の余剰部分を含む、マスキングされていない活性層400を除去するためのメサエッチングを含む(図5Bを参照)。さらに、方法は、図5Cに示されるように、それらの隙間421、422、423に電流遮断層431、432、433を形成する段階を含む。任意選択的に、電流遮断層431または432または433は、逆バイアスのp-n接合層(例えば、最初にp型InP層、次にn型InP層)で作製される。任意選択的に、電流遮断層431または432または433は、p-n-i-n構造またはFeドーピング絶縁材料であり得る。逆バイアスのp-n接合は、側面からの電流の流れを停止させる。電流は、逆バイアスのp-n接合が存在しない活性領域からのみ流れる。これらの電流遮断層は、酸化膜マスクの幅に応じて、酸化膜マスクの周辺の成長速度が異なるようにする再成長増大効果を誘発する。任意選択的に、より速い再成長速度は、第2電流遮断層の上方に誘発されるより、電流遮断層の上方の領域に誘発される。任意選択的に、方法は、第1酸化膜マスクおよび第2酸化膜マスクを除去して、第1長さを有する活性領域101と短い第2長さを有する活性層112のより狭い第2セクションとを残す段階を含む。 Furthermore, the method includes mesa etching to remove the unmasked active layer 400, including the excess portion of the n-type confinement/cladding layer 40 beneath the active layer 400, where gaps 421, 422, 423 are formed around the oxide mask (see Figure 5B). The method further includes the step of forming current-blocking layers 431, 432, 433 in those gaps 421, 422, 423, as shown in Figure 5C. Optionally, the current-blocking layers 431, 432, or 433 are fabricated from reverse-biased p-n junction layers (e.g., a p-type InP layer first, then an n-type InP layer). Optionally, the current-blocking layers 431, 432, or 433 may be p-n-i-n structures or Fe-doped insulating materials. The reverse-biased p-n junctions block the flow of current from the sides. Current flows only from the active region where the reverse-biased p-n junctions are not present. These current-blocking layers induce a regrowth enhancement effect, causing different growth rates around the oxide mask depending on the width of the oxide mask. Optionally, a faster regrowth rate is induced in the region above the current-blocking layer rather than above the second current-blocking layer. Optionally, the method includes removing the first and second oxide masks, leaving an active region 101 having a first length and a narrower second section of the active layer 112 having a shorter second length.

さらに、方法は、酸化膜マスクが除去された図5Cの構造に(p型の)閉じ込め/クラッド層を追加するための再成長プロセスを実行する段階を含む。再成長プロセスは、活性領域101の周辺と、活性層112のより狭い第2セクションの周辺とに電流遮断層によって誘発される領域に対して異なる成長速度を有するレーザチップのp領域40'を成長させるべく、MOCVDを使用してp型InPベースの材料を堆積する段階を含む。任意選択的に、InPベースの材料の成長速度を活性層112のより狭い第2セクションの周辺においてより低くして、結果として活性層112のより狭い第2セクションのすぐ上方に小山領域203をもたらしつつ浅いバンカー領域413を作成する。活性領域101の上方の領域は、相対的に均一な速度(浅いバンカー領域413より早い)で成長し、比較的に平坦化された領域411を実現する。さらに、方法は、活性領域101をカバーするための比較的に平坦な領域411と、活性層112のより狭い第2セクションにわたって長手方向において短い長さを有する隆起状の領域203とを含む上面を有するp領域40'の形成を完了するために、最終成長を実行する段階を含む。p領域40'の上面において、隆起状の領域203は第1アライメントマークになる。任意選択的に、第1酸化膜マスクに対して等しい横方向距離sを有する反対部位に第3酸化膜マスクを配置することによって、同様の構造を有する別の隆起状の領域が反対側に形成され得る。したがって、任意選択的に、レーザチップに形成された第1アライメントマークは、活性領域に対して対称的な横方向位置を有する一対のアライメントマークであり得る。任意選択的に、これらのアライメントマークの横方向の位置は、レーザチップの活性領域の1つの側または対称的に2つの側においてサブミクロン精度で決定され得る。任意選択的に、これらのアライメントマークは、製造プロセスの設定に応じて、p領域またはn領域のいずれかの上面において形成され得る。 Furthermore, the method includes a step of performing a regrowth process to add a (p-type) confinement/cladding layer to the structure of Figure 5C after the oxide mask has been removed. The regrowth process includes a step of depositing a p-type InP-based material using MOCVD to grow a p-region 40' of the laser tip having different growth rates than the region induced by the current-blocking layer, around the periphery of the active region 101 and around the narrower second section of the active layer 112. Optionally, the growth rate of the InP-based material is made lower around the narrower second section of the active layer 112, resulting in a shallow bunker region 413, with a small hill region 203 just above the narrower second section of the active layer 112. The region above the active region 101 grows at a relatively uniform rate (faster than the shallow bunker region 413), resulting in a relatively flattened region 411. Furthermore, the method includes a step of performing final growth to complete the formation of the p-region 40' having an upper surface comprising a relatively flat region 411 for covering the active region 101 and a raised region 203 having a shorter longitudinal length over a narrower second section of the active layer 112. On the upper surface of the p-region 40', the raised region 203 becomes the first alignment mark. Optionally, another raised region with a similar structure can be formed on the opposite side by positioning a third oxide mask at an opposite site having an equal lateral distance s to the first oxide mask. Thus, optionally, the first alignment marks formed on the laser tip may be a pair of alignment marks having symmetrical lateral positions with respect to the active region. Optionally, the lateral positions of these alignment marks may be determined with submicron precision on one side or symmetrically on two sides of the active region of the laser tip. Optionally, these alignment marks may be formed on the upper surface of either the p-region or the n-region, depending on the manufacturing process settings.

任意選択的に、上記に示されたようにレーザチップに形成された1つまたは2つの第1アライメントマークは、チップサイトが設計される(凹部)表面に形成された1つまたは2つの対応する第2アライメントマークを用いて、シリコンフォトニクスチップ上のチップサイトへのフリップチップボンディングのためのレーザを横方向に位置合わせするのに使用され得る(図1を参照)。シリコンフォトニクスチップ(の凹状表面)における第2アライメントマークは、活性領域と導波路ポートとの間の受動アライメントの要件を満たすために、サブミクロン精度で多くの方法で形成され得る。 Optionally, one or two first alignment marks formed on the laser tip as shown above can be used to laterally align the laser for flip-chip bonding to the chip site on the silicon photonics chip, using one or two corresponding second alignment marks formed on the (recessed) surface where the chip site is designed (see Figure 1). The second alignment marks on the silicon photonics chip (or its recessed surface) can be formed in many ways with submicron precision to satisfy the requirements for passive alignment between the active region and the waveguide port.

別の実施形態において、レーザチップは、チップ体の前面を特定することにより、レーザチップが長手方向に沿って(活性領域に沿って)うまく位置付けされ得るように構成される別のアライメントフィーチャを用いて形成される。図7は、本発明の実施形態に係る、レーザチップの前面を特定するための薄い金属膜を形成する方法を示す概略上面図である。この図は単に一例であり、本明細書の特許請求の範囲を不当に限定するべきでない。当業者であれば、多くの変形形態、代替形態、および修正形態を認識するであろう。示されるように、簡略化された図において、2つの隣接するチップダイが、レーザチップを作製するためのウェハの上に示されている。製造プロセスにおいてほぼ完了したダイ1を参照すると、ダイ1のレーザチップは、p領域103、n領域105、p領域とn領域との間に埋設された活性領域101、2つの垂直ストッパ201、p領域103の上面に形成された一対の第1アライメントマーク203を含む、図1に示されたすべてのフィーチャを含む。さらに、ダイ1のレーザチップはまた、p領域103の上面に形成された薄い金属膜205を含む。任意選択的に、薄い金属膜205は、p領域103の上面にパターンを有するp金属を形成する同じプロセスにおいて形成され得、これは、レーザチップに対する電気的接触を形成するように構成されている。特に、ダイ1およびダイ2は依然としてウェハにおいて単体である。薄い金属膜205は、ウェハ処理によって、ダイ1とダイ2との間の活性領域101に対して垂直である境界線107を横切ってパターニングおよび形成される。レーザチップを形成するためのウェハ処理の終了時に、ダイシング処理が実行され、それぞれの個々のレーザチップを取得するためにダイ1をダイ2から分離するように覆われた薄い金属膜を有する境界線を介してウェハを切断する。ダイシング処理は、2つのレーザチップ体のそれぞれに対して、薄い金属膜の劈開された縁部とファセットとを自動的に作成する。したがって、劈開された縁部を薄い金属膜205と共有する前面107を有するレーザチップが取得され、レーザチップがシリコンフォトニクスチップにフリップボンディングされる際に、劈開された縁部を自動的に長手方向に沿った光学アライメントのために前面107を特定するアライメントフィーチャとする。 In another embodiment, the laser tip is formed using another alignment feature configured to ensure that the laser tip is properly positioned along its longitudinal direction (along the active region) by identifying the front surface of the tip body. Figure 7 is a schematic top view showing a method for forming a thin metal film to identify the front surface of a laser tip according to an embodiment of the present invention. This figure is merely an example and should not unduly limit the claims herein. Those skilled in the art will recognize many variations, alternatives, and modifications. As shown in the simplified figure, two adjacent tip dies are shown on a wafer for fabricating laser tips. Referring to die 1, which is nearly completed in the manufacturing process, the laser tip of die 1 includes all the features shown in Figure 1, including a p region 103, an n region 105, an active region 101 embedded between the p region and the n region, two vertical stoppers 201, and a pair of first alignment marks 203 formed on the upper surface of the p region 103. Furthermore, the laser tip of die 1 also includes a thin metal film 205 formed on the upper surface of the p region 103. Optionally, a thin metal film 205 may be formed in the same process as forming the patterned p-metal on the upper surface of the p-region 103, which is configured to form electrical contact with the laser chip. In particular, die 1 and die 2 are still separate entities on the wafer. The thin metal film 205 is patterned and formed by wafer processing across a boundary line 107 that is perpendicular to the active region 101 between die 1 and die 2. At the end of wafer processing for forming the laser chip, a dicing process is performed to cut the wafer through the boundary line with the covered thin metal film to separate die 1 from die 2 in order to obtain each individual laser chip. The dicing process automatically creates cleaved edges and facets of the thin metal film for each of the two laser chip bodies. Therefore, a laser chip is obtained having a front surface 107 that shares a cleaved edge with a thin metal film 205. When the laser chip is flip-bonded to a silicon photonics chip, the cleaved edge is automatically designated as an alignment feature that identifies the front surface 107 for optical alignment along the longitudinal direction.

上記の説明は、特定の実施形態の完全な説明であるが、様々な修正形態、代替形態の構造および同等物が使用され得る。したがって、上記の説明および例示は、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきでない。 The above description is a complete description of a particular embodiment, but various modifications, alternative structures, and equivalents may be used. Therefore, the above description and examples should not be construed as limiting the scope of the invention as defined by the appended claims.

Claims (22)

3D受動アライメントフィーチャを有するシリコンフォトニクスチップにおけるフリップチップボンディングのためのレーザチップであって、
垂直方向におけるp領域とn領域とで作製された、長手方向において前面から裏面へと延伸するチップ体と、
前記n領域のより広い幅に基づいて、前記チップ体の両側の外方にそれぞれ形成された一対の第1垂直ストッパであって、前記一対の第1垂直ストッパは、前記シリコンフォトニクスチップ上に形成された一対の第2垂直ストッパの上に停止又は接合される、一対の第1垂直ストッパと、
前記垂直方向における前記p領域と前記n領域との間の前記チップ体に埋められた、前記長手方向において前記前面から前記裏面へと延伸する直線形状の活性領域と、
前記前面に近い前記p領域の上面に、前記p領域の前記上面における前記活性領域の垂直投影線に対してサブミクロン精度で画定された横方向距離をおいて形成された前記長手方向の第1アライメントマークと、
前記前面と共有されている劈開された縁部を有する前記p領域の前記上面における薄い金属膜と
を備える、レーザチップ。
A laser chip for flip-chip bonding in a silicon photonics chip having a 3D passive alignment feature,
A chip body made from p-region and n-region in the vertical direction, extending from the front to the back in the longitudinal direction,
A pair of first vertical stoppers are formed on the outer sides of the chip body, respectively, based on the wider width of the n region , wherein the pair of first vertical stoppers are stopped or joined to a pair of second vertical stoppers formed on the silicon photonics chip ,
A linear active region extending from the front surface to the back surface in the longitudinal direction is embedded in the chip body between the p region and the n region in the vertical direction,
A first longitudinal alignment mark is formed on the upper surface of the p region near the front surface, at a lateral distance defined with submicron precision with respect to the vertical projection line of the active region on the upper surface of the p region,
A laser tip comprising a thin metal film on the upper surface of the p region having a cleaved edge shared with the front surface.
前記薄い金属膜の前記劈開された縁部は、前記レーザチップと前記シリコンフォトニクスチップとの長手方向のアライメントを決定するための前記前面を特定するために使用される、請求項1に記載のレーザチップ。The laser chip according to claim 1, wherein the cleaved edge of the thin metal film is used to identify the front surface for determining the longitudinal alignment between the laser chip and the silicon photonics chip. 前記一対の第1垂直ストッパは、導波路を含む前記シリコンフォトニクスチップ上に形成された前記一対の第2垂直ストッパと接合され、The pair of first vertical stoppers are joined to the pair of second vertical stoppers formed on the silicon photonics chip including the waveguide.
前記p領域は、前記シリコンフォトニクスチップの表面に接合され、The p region is bonded to the surface of the silicon photonics chip.
前記一対の第1垂直ストッパの端面が前記一対の第2垂直ストッパの端面と接合し前記p領域が前記シリコンフォトニクスチップの前記表面に接合される際に前記シリコンフォトニクスチップの前記表面からの前記活性領域の高さが、前記シリコンフォトニクスチップの前記表面からの前記導波路の高さよりも低くなるよう設定されている、請求項1又は2に記載のレーザチップ。The laser chip according to claim 1 or 2, wherein when the end faces of the pair of first vertical stoppers are joined to the end faces of the pair of second vertical stoppers and the p region is joined to the surface of the silicon photonics chip, the height of the active region from the surface of the silicon photonics chip is set to be lower than the height of the waveguide from the surface of the silicon photonics chip.
前記長手方向における前記第1アライメントマークは、前記n領域の前記上面における前記活性領域の垂直投影線に対してサブミクロン精度で画定された横方向距離をおいて前記前面の近くの前記n領域の上面に代替的に形成された、請求項1から3のいずれか一項に記載のレーザチップ。 The laser tip according to any one of claims 1 to 3, wherein the first alignment mark in the longitudinal direction is alternatively formed on the upper surface of the n region near the front surface, at a lateral distance defined with submicron precision with respect to the vertical projection line of the active region on the upper surface of the n region. 3D受動アライメントフィーチャを有するシリコンフォトニクスチップにおけるフリップチップボンディングのためのレーザチップであって、
垂直方向におけるp領域とn領域とで作製された、長手方向において前面から裏面へと延伸するチップ体と、
前記n領域のより広い幅に基づいて、前記チップ体の両側の外方にそれぞれ形成された一対の第1垂直ストッパと、
前記垂直方向における前記p領域と前記n領域との間の前記チップ体に埋められた、前記長手方向において前記前面から前記裏面へと延伸する直線形状の活性領域と、
前記前面に近い前記p領域の上面に、前記p領域の前記上面における前記活性領域の垂直投影線に対してサブミクロン精度で画定された横方向距離をおいて形成された前記長手方向の第1アライメントマークと、
前記前面と共有されている劈開された縁部を有する前記p領域の前記上面における薄い金属膜と
を備え、
前記一対の第1垂直ストッパのそれぞれは、前記シリコンフォトニクスチップの表面の上方の高さに位置付けられた導波路ポートに対して垂直距離にある第2停止面を用いてそれぞれが画定された一対の第2垂直ストッパを含む前記表面にチップサイトを有する前記シリコンフォトニクスチップの設計に依存する前記活性領域に対して垂直距離にある第1停止面を用いて画定され、それにより、前記活性領域は、前記レーザチップがフリップされて前記第1停止面が前記第2停止面と接合し前記p領域が前記表面において前記チップサイトに半田材料を介して接合される前記導波路ポートの前記高さより0.5μm~0.7μm低くなるよう設定されている、レーザチップ。
A laser chip for flip-chip bonding in a silicon photonics chip having a 3D passive alignment feature,
A chip body made from p-region and n-region in the vertical direction, extending from the front to the back in the longitudinal direction,
Based on the wider width of the n region, a pair of first vertical stoppers are formed on the outer sides of the chip body,
A linear active region extending from the front surface to the back surface in the longitudinal direction is embedded in the chip body between the p region and the n region in the vertical direction,
A first longitudinal alignment mark is formed on the upper surface of the p region near the front surface, at a lateral distance defined with submicron precision with respect to the vertical projection line of the active region on the upper surface of the p region,
A thin metal film on the upper surface of the p region having a cleaved edge shared with the front surface,
Equipped with,
A laser chip having a chip site on its surface, each of the pair of first vertical stoppers is defined by a first stop surface perpendicular to the active region, which is design-dependent, and each of the pair of second vertical stoppers is defined by a pair of second vertical stoppers defined by a second stop surface perpendicular to the waveguide port located at a height above the surface of the silicon photonics chip, wherein the active region is set to be 0.5 μm to 0.7 μm lower than the height of the waveguide port when the laser chip is flipped so that the first stop surface joins with the second stop surface and the p region is joined to the chip site on the surface via solder material .
前記活性領域は、化合物半導体InAsP、GaInNA、GaInAsP、GaInAおよびAlGaInAのうち1または複数、またはこれらの組み合わせに基づくヘテロ接合構造を有する、請求項1からのいずれか一項に記載のレーザチップ。 The laser chip according to any one of claims 1 to 5 , wherein the active region has a heterojunction structure based on one or more compound semiconductors InAsP, GaInNAs , GaInAsP, GaInAs , and AlGaInAs , or a combination thereof. 前記p領域および前記n領域は、それぞれp型またはn型のInPベースの化合物半導体を有する、請求項1からのいずれか一項に記載のレーザチップ。 The laser chip according to any one of claims 1 to 6 , wherein the p region and the n region each have a p-type or n-type InP-based compound semiconductor. 3D受動アライメントフィーチャを有するシリコンフォトニクスチップにおけるフリップチップボンディングのためのレーザチップを形成する方法であって、A method for forming a laser chip for flip-chip bonding in a silicon photonics chip having a 3D passive alignment feature,
垂直方向におけるp領域とn領域との間に埋められた、長手方向において前面から裏面へと延伸する直線形状の活性領域を有するチップ体を形成する段階と、A step of forming a chip body having a linearly shaped active region that extends from the front to the back in the longitudinal direction, embedded between the p region and the n region in the vertical direction,
前記n領域のより広い幅に基づいて、前記チップ体の両側のそれぞれの外方に位置付けられた一対の第1垂直ストッパを形成する段階と、The steps include forming a pair of first vertical stoppers positioned on the outer sides of each of the two sides of the chip body based on the wider width of the n region,
前記前面に近い前記p領域の上面に、前記p領域の前記上面における前記活性領域の垂直投影線に対してサブミクロン精度で画定された横方向距離をおいて前記長手方向の第1アライメントマークを形成する段階と、The steps include forming a first longitudinal alignment mark on the upper surface of the p region near the front surface, at a lateral distance defined with submicron precision with respect to the vertical projection line of the active region on the upper surface of the p region,
前記前面と共有されている劈開された縁部を有する前記p領域の前記上面における薄い金属膜を形成する段階とA step of forming a thin metal film on the upper surface of the p region having a cleaved edge shared with the front surface.
を備え、Equipped with,
前記第1アライメントマークは、前記p領域の前記上面における1つのラインフィーチャを有し、The first alignment mark has one line feature on the upper surface of the p region,
前記第1アライメントマークを形成する段階は、The step of forming the first alignment mark is:
活性層に配置された第2の幅の1つのアライメント酸化膜マスクを使用した再成長プロセスを介して前記1つのラインフィーチャを形成する段階であって、前記1つのアライメント酸化膜マスクは、前記活性領域を形成するために同じ活性層の上に配置された第1の幅の活性領域酸化膜マスクに対してサブミクロン精度で画定された前記横方向距離をおいた位置に配置され、前記第1の幅は前記第2の幅と1μm~5μm異なる、段階A step of forming the line feature via a regrowth process using a second width alignment oxide mask placed on the active layer, wherein the first alignment oxide mask is positioned at a lateral distance defined with submicron precision relative to a first width active region oxide mask placed on the same active layer to form the active region, and the first width differs from the second width by 1 μm to 5 μm.
を有する、方法。A method having
3D受動アライメントフィーチャを有するシリコンフォトニクスチップにおけるフリップチップボンディングのためのレーザチップを形成する方法であって、A method for forming a laser chip for flip-chip bonding in a silicon photonics chip having a 3D passive alignment feature,
垂直方向におけるp領域とn領域との間に埋められた、長手方向において前面から裏面へと延伸する直線形状の活性領域を有するチップ体を形成する段階と、A step of forming a chip body having a linearly shaped active region that extends from the front to the back in the longitudinal direction, embedded between the p region and the n region in the vertical direction,
前記n領域のより広い幅に基づいて、前記チップ体の両側のそれぞれの外方に位置付けられた一対の第1垂直ストッパを形成する段階と、The steps include forming a pair of first vertical stoppers positioned on the outer sides of each of the two sides of the chip body based on the wider width of the n region,
前記前面に近い前記p領域の上面に、前記p領域の前記上面における前記活性領域の垂直投影線に対してサブミクロン精度で画定された横方向距離をおいて前記長手方向の第1アライメントマークを形成する段階と、The steps include forming a first longitudinal alignment mark on the upper surface of the p region near the front surface, at a lateral distance defined with submicron precision with respect to the vertical projection line of the active region on the upper surface of the p region,
前記前面と共有されている劈開された縁部を有する前記p領域の前記上面における薄い金属膜を形成する段階とA step of forming a thin metal film on the upper surface of the p region having a cleaved edge shared with the front surface.
を備え、Equipped with,
前記第1アライメントマークは、前記p領域の前記上面における2つのラインフィーチャを有し、The first alignment mark has two line features on the upper surface of the p region,
前記第1アライメントマークを形成する段階は、The step of forming the first alignment mark is:
活性層に配置された第2の幅の2つのアライメント酸化膜マスクを使用した再成長プロセスを介して前記2つのラインフィーチャを形成する段階であって、前記2つのアライメント酸化膜マスクは、前記活性領域を形成するために同じ活性層の上に配置された第1の幅の活性領域酸化膜マスクの両側のそれぞれにおいてサブミクロン精度で前記横方向距離をおいた2つの位置に配置され、前記第1の幅は前記第2の幅と1μm~5μm異なる、段階A step of forming the two line features via a regrowth process using two alignment oxide masks of a second width arranged on an active layer, wherein the two alignment oxide masks are positioned at two locations with submicron precision at a lateral distance on each side of a first width active region oxide mask arranged on the same active layer to form the active region, and the first width differs from the second width by 1 μm to 5 μm.
を有する、方法。A method having
前記薄い金属膜を形成する段階は、前記p領域の前記上面にコンタクト金属層を形成するための同じウェハプロセスで前記薄い金属膜を形成する段階を有するThe step of forming the thin metal film includes the step of forming the thin metal film in the same wafer process as forming the contact metal layer on the upper surface of the p region.
請求項8又は9に記載の方法。The method according to claim 8 or 9.
前記ウェハプロセスはさらに、2つの隣接するレーザチップダイの境界を横切って前記p領域の前記上面に前記薄い金属膜を形成する段階と、前記薄い金属膜を劈開するとともに前記2つの隣接するレーザチップダイの前記劈開された縁部と一致する前記前面を形成するために、前記劈開された縁部を取得するために前記境界を介してウェハをダイシングする段階とThe wafer process further comprises the steps of forming the thin metal film on the upper surface of the p region across the boundary of two adjacent laser chip dies, and dicing the wafer through the boundary to obtain the cleaved edges in order to cleave the thin metal film and form the front surface that coincides with the cleaved edges of the two adjacent laser chip dies.
を含む、請求項10に記載の方法。The method according to claim 10, including the method described in claim 10.
リコンフォトニクスチップにレーザチップを接合する方法であって、前記方法は、
垂直方向におけるp領域とn領域との間に埋められた、長手方向において前面から裏面へと延伸する活性領域を有するチップ体を形成することと、前記チップ体の両側のそれぞれの外方に位置付けられた一対の第1垂直ストッパを形成することと、前記前面に近い前記p領域の上面に、前記p領域の前記上面における前記活性領域の垂直投影線に対してサブミクロン精度で画定された横方向距離をおいて、前記長手方向における第1アライメントマークを形成することと、前記前面と一致する劈開された縁部を有する薄い金属膜を形成することとを含む、レーザチップを提供する段階と、
凹状表面の上方の高さに位置付けられた導波路ポートを有する、前記シリコンフォトニクスチップの前記凹状表面におけるチップサイトを設定する段階であって、前記チップサイトは、前記凹状表面に立っている一対の第2垂直ストッパと、前記凹状表面における前記導波路ポートの垂直投影線に対してサブミクロン精度で画定された横方向距離をおいた、前記凹状表面における第2アライメントマークとを含む、段階と、
前記レーザチップの前記p領域の前記上面を前記凹状表面における前記チップサイトに向けた状態で、前記レーザチップを、半田材料を介して、前記凹状表面における前記チップサイトに、前記活性領域と前記導波路ポートとの間の垂直アライメントを決定するために前記一対の第2垂直ストッパとそれぞれ接合する前記一対の第1垂直ストッパで接合する段階と、
前記第1アライメントマークを前記第2アライメントマークに位置合わせすることによって、横方向アライメントを決定する段階と、
前記薄い金属膜の前記劈開された縁部における反射コントラストに基づいて前記前面を特定することによって、長手方向アライメントを決定する段階と
を備える、方法。
A method for bonding a laser chip to a silicon photonics chip, wherein the method is
A laser chip comprising the steps of: forming a chip body having an active region that extends from the front to the back in the longitudinal direction, embedded between a p region and an n region in the vertical direction; forming a pair of first vertical stoppers positioned on the outer sides of each of the chip body; forming a first alignment mark in the longitudinal direction on the upper surface of the p region near the front surface, at a lateral distance defined with submicron precision with respect to the vertical projection line of the active region on the upper surface of the p region; and forming a thin metal film having a cleaved edge that coincides with the front surface.
A step of setting a chip site on the concave surface of a silicon photonics chip having a waveguide port positioned at a height above the concave surface, wherein the chip site includes a pair of second vertical stoppers standing on the concave surface and a second alignment mark on the concave surface, set at a lateral distance defined with submicron precision with respect to the vertical projection line of the waveguide port on the concave surface.
With the upper surface of the p region of the laser tip facing the chip site on the concave surface, the laser tip is joined to the chip site on the concave surface via a solder material using a pair of first vertical stoppers, each of which is joined to the pair of second vertical stoppers to determine the vertical alignment between the active region and the waveguide port.
The step of determining the lateral alignment by aligning the first alignment mark with the second alignment mark,
A method comprising the step of determining longitudinal alignment by identifying the front surface based on the reflective contrast at the cleaved edge of the thin metal film.
前記チップサイトを設定する段階は、前記導波路ポートに対してサブミクロン精度での前記凹状表面の上方の前記一対の第2垂直ストッパのそれぞれに対して、第2停止面を画定する段階を有する、請求項12に記載の方法。 The method according to claim 12 , wherein the step of setting the chip site comprises defining a second stop surface with respect to each of the pair of second vertical stoppers above the concave surface with submicron precision relative to the waveguide port. 一対の第1垂直ストッパを形成することは、前記シリコンフォトニクスチップの前記凹状表面の上方における前記一対の第2垂直ストッパのそれぞれに対する前記画定された第2停止面に応じて、前記レーザチップの前記活性領域に対して前記一対の第1垂直ストッパのそれぞれに対する第1停止面を画定することを有する、請求項13に記載の方法。 The method according to claim 13, wherein forming a pair of first vertical stoppers comprises defining a first stop surface for each of the pair of first vertical stoppers with respect to the active region of the laser chip, in accordance with the defined second stop surface for each of the pair of second vertical stoppers above the concave surface of the silicon photonics chip . 前記一対の第1垂直ストッパのそれぞれに対する前記第1停止面を画定することは、エッチング停止材料を、前記活性領域に対して画定された垂直距離を有する、且つ前記チップ体の前記p領域の側のそれぞれの外方に画定された横方向距離を有する位置に配置する、請求項14に記載の方法。 The method according to claim 14, wherein defining the first stopping surface for each of the pair of first vertical stoppers is to position the etching stopping material at a position having a vertical distance defined with respect to the active region and a lateral distance defined outward from each of the p regions of the chip body. 前記一対の第1垂直ストッパのそれぞれに対する前記第1停止面を画定することはさらに、前記活性領域に対する前記第1停止面の前記画定された垂直距離と、前記第1停止面が前記第2停止面と接合することにつれて、前記凹状表面の上方の前記第2停止面とに基づいて、前記レーザチップの前記活性領域の位置を前記導波路ポートの高さから垂直に約0.5μm~0.7μm下に設定することを含む、請求項15に記載の方法。 The method of claim 15, wherein defining the first stopping surface for each of the pair of first vertical stoppers further includes setting the position of the active region of the laser tip about 0.5 μm to 0.7 μm vertically below the height of the waveguide port, based on the defined vertical distance of the first stopping surface to the active region and the second stopping surface above the concave surface as the first stopping surface joins with the second stopping surface. 前記活性領域の前記位置を前記導波路ポートの前記高さから垂直に約0.5μm~0.7μm下に設定することは、<3dBの結合損失の限定下で前記シリコンフォトニクスチップの前記凹状表面における前記チップサイトに前記半田材料を介して前記レーザチップをフリップボンディングする場合の垂直アライメントの公差窓を2倍にすることを含む、請求項16に記載の方法。 The method according to claim 16, wherein setting the position of the active region approximately 0.5 μm to 0.7 μm vertically below the height of the waveguide port doubles the tolerance window for vertical alignment when flip-bonding the laser chip to the chip site on the concave surface of the silicon photonics chip via the solder material under a coupling loss limitation of < 3 dB. 前記第1アライメントマークを形成することは、前記レーザチップのn領域に活性層を形成した後、前記活性領域が形成される前記活性層にわたって第1の幅の第1酸化膜マスクと、前記第1アライメントマークが前記第1酸化膜マスクに対してサブミクロン精度で横方向の位置に形成される前記活性層にわたって第2の幅の第2酸化膜マスクとを配置する段階であって、前記第1の幅は前記第2の幅より約1μm~5μm大きい、段階と、前記第1酸化膜マスクの下の前記活性領域と、前記第2酸化膜マスクの下の活性層のより狭い第2セクションとを除く前記活性層の大部分を除去するためのメサエッチングを実行する段階と、前記活性領域の周辺に第1電流遮断層と、前記活性層の前記より狭い第2セクションの周辺に第2電流遮断層とを形成する段階であって、より速い再成長速度が、前記第2酸化膜マスクの周辺の領域に誘発されるより、前記第1酸化膜マスクの周辺の領域に誘発される、段階と、前記第1酸化膜マスクおよび前記第2酸化膜マスクを除去する段階と、前記活性領域の周辺においてより速い成長速度で、前記活性層の前記より狭い第2セクションの周辺においてより遅い成長速度で、前記レーザチップのp領域の再成長を実行する段階と、前記活性領域の上方に比較的に平坦な領域と、前記活性層の前記より狭い第2セクションの上方の長手方向において短い長さを有する隆起特徴とを含む上面を有する前記p領域の形成を完了するために最終成長を実行する段階であって、前記隆起特徴は前記第1アライメントマークになる、段階とを備える、請求項12から17のいずれか一項に記載の方法。 The formation of the first alignment mark is a step of forming an active layer in the n region of the laser chip, then arranging a first oxide mask of a first width over the active layer in which the active region is formed, and a second oxide mask of a second width over the active layer in which the first alignment mark is formed laterally with submicron precision relative to the first oxide mask, wherein the first width is about 1 μm to 5 μm larger than the second width; performing mesa etching to remove most of the active layer except for the active region under the first oxide mask and the narrower second section of the active layer under the second oxide mask; and forming a first current blocking layer around the active region and a second current blocking layer around the narrower second section of the active layer. The method according to any one of claims 12 to 17, comprising: a step in which a faster regrowth rate is induced in the region surrounding the first oxide mask rather than in the region surrounding the second oxide mask; a step in which the first oxide mask and the second oxide mask are removed; a step in which regrowth of the p region of the laser chip is performed at a faster growth rate around the active region and at a slower growth rate around the narrower second section of the active layer; and a step in which final growth is performed to complete the formation of the p region having an upper surface including a relatively flat region above the active region and a raised feature having a shorter longitudinal length above the narrower second section of the active layer, wherein the raised feature becomes the first alignment mark. 前記第1アライメントマークを形成することは、前記レーザチップのn領域に活性層を形成した後、前記活性領域が形成される前記活性層にわたって第1の幅の第1酸化膜マスクと、前記第1アライメントマークが前記第1酸化膜マスクに対してサブミクロン精度で横方向の位置に形成される前記活性層にわたって第2の幅の第2酸化膜マスクとを配置する段階であって、前記第1の幅は前記第2の幅より約1μm~5μm小さい、段階と、前記第1酸化膜マスクの下の前記活性領域と、前記第2酸化膜マスクの下の活性層のより広い第2セクションとを除く前記活性層の大部分を除去するためのメサエッチングを実行する段階と、前記活性領域の周辺に第1電流遮断層と、前記活性層の前記より広い第2セクションの周辺に第2電流遮断層とを形成する段階であって、より遅い再成長速度が、前記第2電流遮断層の上方に誘発されるより、前記第1電流遮断層の上方に誘発される、段階と、前記第1酸化膜マスクおよび前記第2酸化膜マスクを除去する段階と、前記活性領域の周辺においてより遅い成長速度で、前記活性層の前記より広い第2セクションの周辺においてより速い成長速度で、前記レーザチップのp領域の再成長を実行する段階と、前記活性領域の上方に比較的に平坦な領域と、前記活性層の前記より広い第2セクションの上方の長手方向において短い長さを有する谷状フィーチャとを含む上面を有する前記p領域の形成を完了するために最終成長を実行する段階であって、前記谷状フィーチャは前記第1アライメントマークになる、段階とを備える、請求項12から17のいずれか一項に記載の方法。 Forming the first alignment mark is a step of forming an active layer in the n region of the laser chip, then placing a first oxide mask of a first width over the active layer in which the active region is formed, and a second oxide mask of a second width over the active layer in which the first alignment mark is formed laterally with submicron precision relative to the first oxide mask, wherein the first width is about 1 μm to 5 μm smaller than the second width; performing mesa etching to remove most of the active layer except for the active region under the first oxide mask and the wider second section of the active layer under the second oxide mask; and forming a first current blocking layer around the active region and a second current blocking layer around the wider second section of the active layer. The method according to any one of claims 12 to 17, comprising the steps of: having a slower regrowth rate induced above the first current-blocking layer than above the second current-blocking layer; removing the first oxide mask and the second oxide mask; performing regrowth of the p region of the laser chip at a slower growth rate around the active region and a faster growth rate around the wider second section of the active layer; and performing final growth to complete the formation of the p region having an upper surface including a relatively flat region above the active region and a valley -shaped feature having a shorter longitudinal length above the wider second section of the active layer, wherein the valley -shaped feature becomes the first alignment mark. 前記薄い金属膜を形成することは、2つの隣接するレーザチップダイの境界を横切って形成された前記薄い金属膜を含む前記p領域の前記上面に金属コンタクト層を形成するためのウェハプロセスを実行する段階を含み、前記ウェハプロセスはさらに、前記薄い金属膜を劈開することで前記劈開された縁部を取得するとともに、2つのレーザチップの前記劈開された縁部と一致する前記前面を形成するために、前記境界を介してダイシングを行う段階を含む、請求項12から19のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 12 to 19, wherein forming the thin metal film includes the step of performing a wafer process to form a metal contact layer on the upper surface of the p region including the thin metal film formed across the boundary of two adjacent laser chip dies , the wafer process further includes the step of cleaving the thin metal film to obtain the cleaved edges and performing dicing through the boundary to form the front surface that coincides with the cleaved edges of the two laser chips. 動アライメントフィーチャを有するシリコンフォトニクスチップにおけるフリップチップボンディングのためのレーザチップであって、
垂直方向におけるp領域とn領域とで作製された、長手方向において前面から裏面へと延伸するチップ体と、
前記チップ体のの外方にそれぞれ形成された一対の第1垂直ストッパであって、前記一対の第1垂直ストッパは前記シリコンフォトニクスチップ上に形成された一対の第2垂直ストッパの上に停止又は接合される、一対の第1垂直ストッパと、
前記垂直方向における前記p領域と前記n領域との間の前記チップ体に埋められた、前記長手方向において前記前面から前記裏面へと延伸する直線形状の活性領域と、
前記前面に近い前記p領域の上面に、前記p領域の前記上面における前記活性領域の垂直投影線に対してサブミクロン精度で画定された横方向距離をおいて形成された前記長手方向の第1アライメントマークと
前記前面と共有されている劈開された縁部を有する前記p領域の前記上面における薄い金属膜と
を備える、レーザチップ。
A laser chip for flip-chip bonding in a silicon photonics chip having a passive alignment feature,
A chip body made from p-region and n-region in the vertical direction, extending from the front to the back in the longitudinal direction,
A pair of first vertical stoppers are formed on the outer sides of the chip body , the pair of first vertical stoppers are stopped or joined to a pair of second vertical stoppers formed on the silicon photonics chip ,
A linear active region extending from the front surface to the back surface in the longitudinal direction is embedded in the chip body between the p region and the n region in the vertical direction,
A first longitudinal alignment mark is formed on the upper surface of the p region near the front surface, at a lateral distance defined with submicron precision with respect to the vertical projection line of the active region on the upper surface of the p region ,
A thin metal film on the upper surface of the p region having a cleaved edge shared with the front surface,
A laser chip equipped with this feature.
動アライメントフィーチャを有するシリコンフォトニクスチップにおけるフリップチップボンディングのためのレーザチップであって、
垂直方向におけるp領域とn領域とで作製された、長手方向において前面から裏面へと延伸するチップ体と、
前記垂直方向における前記p領域と前記n領域との間の前記チップ体に埋められた、前記長手方向において前記前面から前記裏面へと延伸する直線形状の活性領域と、
前記前面に近い前記p領域の上面に、前記p領域の前記上面における前記活性領域の垂直投影線に対してサブミクロン精度で画定された横方向距離をおいて形成された前記長手方向の第1アライメントマークと、
前記前面と共有されている劈開された縁部を有する前記p領域の前記上面における薄い金属膜と
を備え
前記薄い金属膜の前記劈開された縁部は、前記レーザチップと前記シリコンフォトニクスチップとの長手方向のアライメントを決定するための前面を特定するために使用される、レーザチップ。
A laser chip for flip-chip bonding in a silicon photonics chip having a passive alignment feature,
A chip body made from p-region and n-region in the vertical direction, extending from the front to the back in the longitudinal direction,
A linear active region extending from the front surface to the back surface in the longitudinal direction is embedded in the chip body between the p region and the n region in the vertical direction,
A first longitudinal alignment mark is formed on the upper surface of the p region near the front surface, at a lateral distance defined with submicron precision with respect to the vertical projection line of the active region on the upper surface of the p region,
The upper surface of the p region having a cleaved edge shared with the front surface comprises a thin metal film ,
The cleaved edge of the thin metal film is used to identify a front surface for determining the longitudinal alignment between the laser tip and the silicon photonics tip, in a laser tip.
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